JP2007263638A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源から出射され測定対象物に照射される光の光軸に対して平行に近い測定対象物の表面の３次元形状を精度良く測定することを可能にする。
【解決手段】３次元形状測定装置は、反射ミラー３１，３２によって、３次元形状撮像装置１０から出射されたレーザ光を反射して、同３次元形状撮像装置１０から直接ワークＷＫ１，ＷＫ２に照射されるレーザ光とは異なる方向からワークＷＫ１，ＷＫ２に導くとともに、同異なる方向から導かれたレーザ光による測定対象物からの反射光を３次元形状撮像装置１０に導く。そして、３次元形状測定装置は、ワークＷＫ１，ＷＫ２から反射ミラー３１，３２を介して３次元形状撮像装置１０に導かれる反射光に基づくワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状を、ワークＷＫ１，ＷＫ２から直接３次元形状撮像装置１０に導かれる反射光に基づくワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状に合成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定対象物に光を照射するとともに、同測定対象物からの反射光を用いて同測定対象物の表面の３次元形状を表す３次元形状データを出力する３次元形状撮像装置を備え、同３次元形状データに基づいて測定対象物の３次元形状を表示または３次元形状に関する特性値を計算する３次元形状測定装置に関する。

従来から、測定対象物にレーザ光などの光を照射して測定対象物からの反射光を受光することにより、同測定対象物の３次元表面形状を測定する３次元形状測定装置が知られている。このような３次元形状測定装置は、測定対象物に光を照射するとともに、同測定対象物からの反射光を受光して同測定対象物の表面の３次元形状を表す３次元形状データを出力する３次元形状撮像装置を備えている。例えば、下記特許文献１に記載の３次元形状測定装置においては、一定の光量のレーザ光を出射するレーザ光源と、同レーザ光源から測定対象物の表面までの距離に応じた位置で測定対象物からの反射光を受光する受光素子アレイとを有する３次元形状撮像装置とを備えている。
特開平５−９９６１７号公報

しかしながら、このような３次元形状測定装置においては、レーザ光が照射される測定対象物の表面が照射されるレーザ光の光軸に対して直交していない場合、換言すれば、同表面がレーザ光の光軸に対して平行に近いほど、前記受光素子アレイによって受光される反射光の光量が少なくなる。例えば、図１１（Ａ）に示す測定対象物の縁部の面取り部分Ｃや、図１１（Ｂ）に示す同縁部の曲面部分Ｒに対して図示上方からレーザ光Ｌを照射した場合、同面取り部分Ｃおよび曲面部分Ｒに照射されたレーザ光Ｌの大部分が入射方向とは異なる方向に反射するため、受光素子アレイに導かれる反射光の光量が減少する。この結果、照射されるレーザ光の光軸に対して平行に近い測定対象物の表面の３次元形状の測定精度が悪化するという問題がある。具体的には、例えば、測定対象物における孔部の孔径や溝部の溝幅が実際の孔径や溝幅より大きく測定されたり、測定対象物の外形が実際の外形より小さく測定されるという問題がある。

本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、光源から出射され測定対象物に照射される光の光軸に対して平行に近い測定対象物の表面の３次元形状も精度良く測定することが可能な３次元形状測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、測定対象物に光を照射するとともに、同測定対象物からの反射光を用いて同測定対象物の表面の３次元形状を表す３次元形状データを出力する３次元形状撮像装置と、３次元形状撮像装置から出射された光を反射して、３次元形状撮像装置から出射され測定対象物に照射される光とは異なる方向から測定対象物に導くとともに、同測定対象物からの反射光を反射して、３次元形状撮像装置に導く反射ミラーと、測定対象物から反射ミラーを介して３次元形状撮像装置に導かれる反射光に基づく３次元形状データによって表された測定対象物の表面の３次元形状を、測定対象物から直接前記３次元形状撮像装置に導かれる反射光に基づく３次元形状データによって表された測定対象物の表面の３次元形状に合成する３次元形状データ合成手段とを備えたことにある。

このように構成された本発明の特徴によれば、３次元形状撮像装置から出射された光を反射ミラーによって反射させることにより、３次元形状撮像装置から出射され直接測定対象物を照射する光とは異なる方向から測定対象物に光を照射している。そして、同異なる方向から照射された光による測定対象物からの反射光を再び反射ミラーによって反射させることにより、同反射光を３次元形状撮像装置に導いている。すなわち、測定対象物に対して互いに異なる方向から光を照射して測定対象物の測定を行っている。これにより、３次元形状撮像装置から直接測定対象物を照射する光の光軸が同測定対象物の照射面に対して平行に近い場合であっても、同光とは異なる方向から導かれる光によって測定対象物からの反射光を３次元形状撮像装置に導くことができる。この結果、光源から出射され測定対象物に照射される光の光軸に対して平行に近い測定対象物の表面の３次元形状も精度良く測定することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記３次元形状撮像装置において、前記反射ミラーを、３次元形状撮像装置から出射された光を測定対象物の特定部位に対して略垂直に入射させるものとしたことにある。これによれば、反射ミラーを介して照射される光の光軸が測定対象物に対して略直交するため、同測定対象物からより多くの反射光を３次元形状撮像装置に導くことができる。この結果、さらに精度良く測定対象物の測定を行うことができる。

また、本発明の他の特徴は、前記３次元形状撮像装置において、前記反射ミラーを、３次元形状撮像装置から出射された光を測定対象物の互いに対向する２つの面に対してそれぞれ導く第１および第２の反射ミラーで構成したことにある。これによれば、互いに対向する２つの面、例えば溝部を形成する２つの側面に対してそれぞれ光を照射することができ、同溝部の測定を精度良く行うことができる。この場合、さらに、３次元形状データ合成手段によって合成された測定対象物の３次元形状を用いて、測定対象物における前記互いに対向する２つの面の面間距離を測定する面間距離測定手段を設けてもよい。これによれば、前記溝部の溝幅を精度良く測定することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記３次元形状撮像装置において、３次元形状撮像装置から出射され測定対象物に照射される光の測定対象物上における照射範囲と、３次元形状撮像装置から出射され反射ミラーを介して測定対象物に照射される光の測定対象物体上における照射範囲とが重なるように反射ミラーを設けたことにある。これによれば、３次元形状撮像装置の測定対象空間内に配置された測定対象物の全面を測定する場合、同測定対象物の３次元形状を漏れなく測定することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記３次元形状撮像装置において、さらに、前記反射ミラーによって測定対象物に導かれる光の光軸の位置または方向を、反射ミラーの位置または向きを変化させることにより変更する光軸変更手段を備えたことにある。これによれば、互いに異なる形状の複数の測定対象物を測定する場合であっても、測定対象物の形状に応じて反射ミラーの位置および向きを調整することができる。

以下、本発明に係る３次元形状測定装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、測定対象物であるワークＷＫ１とワークＷＫ２との間の隙間、およびワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差を測定する３次元形状測定装置の基本構成を示す概略図である。ここで、ワークＷＫ１およびワークＷＫ２は、それぞれ平板状に形成されており、互いに隣り合った状態で配置されている。ワークＷＫ１およびワークＷＫ２における互いに対向する側面である端部Ｔ１，Ｔ２は、それぞれ円弧状に形成されている。なお、図１は、ワークＷＫ１とワークＷＫ２との間の隙間を中心としたワークＷＫ１，ＷＫ２の一部を示している。この３次元形状測定装置は、ワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状を測定する３次元形状撮像装置１０を備えている。

３次元形状撮像装置１０は、箱型に形成されており、ワークＷＫ１，ＷＫ２に向けてレーザ光を出射するとともに同ワークＷＫ１，ＷＫ２からの反射光を受光して、ワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元立体表面形状を測定して同測定結果を表す測定情報を出力する。この３次元形状撮像装置１０としては、ワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元表面形状を測定するとともに同測定した３次元表面形状を表す信号を出力するものであれば、いかなる３次元形状測定装置をも利用できる。本実施形態においては、レーザ光を用いて３角測量法に従って物体の３次元表面形状を測定するものを簡単に紹介しておく。

この３次元形状撮像装置においては、レーザ光源から物体に向けて出射されるレーザ光の進行方向にほぼ垂直な仮想平面を想定するとともに、同仮想平面上にて互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向に沿って分割した多数の微小エリアを想定する。そして、３次元形状撮像装置は、前記多数の微小エリアにレーザ光を順次照射し、物体からの反射光によって前記微小エリアが規定する物体表面までの距離をＺ軸方向距離として順次検出して、物体の表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ，Ｙ，Ｚ座標に関する情報を得て、同３次元形状撮像装置に面した物体表面の形状を測定するものである。

したがって、この３次元形状撮像装置は、出射レーザ光の向きをＸ軸方向に変化させるＸ軸方向走査器と、出射レーザ光の向きをＹ軸方向に変化させるＹ軸方向走査器と、物体表面にて反射された反射レーザ光を受光して物体表面までの距離を検出する距離検出器とを備えている。Ｘ軸方向走査器およびＹ軸方向走査器としては、レーザ光源からの出射レーザ光の光路をＸ軸方向およびＹ軸方向に独立に変化させ得る機構であればよく、例えば、レーザ光源自体をＸ軸方向およびＹ軸方向の軸線回りに電動モータによって回転させたり、出射レーザ光の光路に設けられてその方向を変更するガルバノミラーをＸ軸方向およびＹ軸方向の軸線回りに電動モータによって回転させる機構を利用できる。距離検出器としては、前記出射レーザ光の光路に追従して回転し、物体表面にて反射された反射レーザ光を集光する結像レンズおよび同集光したレーザ光を受光するＣＣＤなどの複数の受光素子を一列に配置させたラインセンサからなり、ラインセンサによる反射レーザ光の受光位置によって物体表面までの距離を検出する機構を利用できる。

したがって、このような３次元形状撮像装置は、物体の表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ，Ｙ，Ｚ座標に関する情報として、Ｘ軸方向走査器による出射レーザ光の基準方向に対するＸ軸方向への傾きθｘ、Ｙ軸方向走査器による出射レーザ光の基準方向に対するＹ軸方向への傾きθｙ、および距離検出器による物体表面までの距離Ｌｚとが、前記仮想したＸ軸方向およびＹ軸方向に沿って分割した多数の微小エリアごとに出力される。より具体的には、Ｘ軸およびＹ軸方向への傾きθｘ，θｙは、電動モータの基準位置からの回転角である。また、物体表面までの距離Ｌｚは、ラインセンサにおける反射レーザ光の受光位置である。

この３次元形状撮像装置１０は、支持具２０によって支持されている。支持具２０は、平板上のベース２１上に垂直方向に設けられた支柱２２を備えている。支柱２２には、その上部にレーザ光をベース２１側に向けて出射する向きで３次元形状撮像装置１０が固定されているとともに、その下部にジョイント２３を介して棒状の第１アーム２４が水平方向に設けられている。ジョイント２３は、支柱２２上における３次元形状撮像装置１０とベース２１との間の任意の位置で、同支柱２２の軸線回りにおける任意の向きに第１アーム２４を固定できるようになっている。ジョイント２３には、ハンドル２３ａが設けられており、このハンドル２３ａを回転操作することにより第１アーム２４を支柱２２に対して固定状態および変位可能状態とすることができる。

第１アーム２４の両端部には、ジョイント２５，２６を介して同第１アーム２４に直交した状態で棒状の第２アーム２７，２８がそれぞれ設けられている。ジョイント２５，２６は、第１アーム２４の各端部とジョイント２３との各間の任意の位置で、同第１アーム２４の軸線回りにおける任意の向きに第２アーム２７，２８をそれぞれ固定できるようになっている。また、これらのジョイント２５，２６は、第２アーム２７，２８の各軸線回りにおける任意の角度で同第２アーム２７，２８をそれぞれ固定できるようになっている。ジョイント２５，２６には、ハンドル２５ａ，２６ａがそれぞれ設けられており、これらのハンドル２５ａ，２６ａを回転操作することにより第２アーム２７，２８を第１アーム２４に対してそれぞれ固定状態および変位可能状態にすることができる。また、ハンドル２５ａ，２６ａを回転操作することにより第２アーム２７，２８を同第２アーム２７，２８の各軸線回りに固定状態および変位可能状態にすることができる。第２アーム２７，２８の各中央部は、それぞれ四角柱状に形成されており、これらの四角柱状に形成された部分の１つの側面に平板状の反射ミラー３１，３２がそれぞれ固定されている。

反射ミラー３１，３２は、方形の平板状に形成されており、３次元形状撮像装置１０から出射されたレーザ光を反射してワークＷＫ１，ＷＫ２に導くとともに、同ワークＷＫ１，ＷＫ２からの反射光を反射して３次元形状撮像装置１０に導くためのミラーである。これらの反射ミラー３１，３２は、第１アーム２４および第２アーム２７，２８の各位置および各軸線回りの角度を調整することにより３次元形状撮像装置１０の測定対象空間内に位置するように配置される。

この３次元形状撮像装置１０には、コントローラ４１および３次元画像処理装置４２が接続されている。コントローラ４１は、キーボードからなる入力装置４３からの指示に従って、３次元形状撮像装置１０の作動を制御する。また、コントローラ４１は、入力装置４３からの指示に従って３次元画像処理装置４２の作動を制御するとともに、同入力装置４３にて入力されたデータを３次元画像処理装置４２に供給する。

３次元画像処理装置４２は、コンピュータ装置によって構成され図３に示すプログラムを実行することにより形状データ合成関数Ｆ_Ｓを計算するとともに、図７および図９に示す各プログラムを実行することにより、測定対象空間内に位置する物体の３次元画像を表示するための３次元形状データを生成して、同測定対象空間内に位置するワークＷＫ１とワークＷＫ２との間の隙間、およびワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差を計算する。この３次元画像処理装置４２には、表示装置４４が接続されている。表示装置４４は、液晶ディスプレイまたはＣＲＴなどで構成され、３次元画像処理装置４２から出力されるワークＷＫ１とワークＷＫ２との間の隙間の値、およびワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差の値や、同３次元画像処理装置４２から出力される３次元形状データに基づいて測定対象空間内に位置する物体の３次元画像を表示する。

次に、このように構成した３次元形状測定装置の作動について説明する。まず、作業者は、反射ミラー３１，３２の位置および向きを調整する。作業者は、図１に示すように、互いが隣り合って配置されたワークＷＫ１とワークＷＫ２との間の隙間上に３次元形状測定装置を配置して、第１アーム２４および第２アーム２７，２８の位置および各軸線回りの角度を変位させることにより、反射ミラー３１，３２の位置および向きを調整する。具体的には、３次元形状撮像装置１０から出射され反射ミラー３１によって反射されるレーザ光の光軸が、ワークＷＫ２の端部Ｔ２の表面に垂直になるように反射ミラー３１の位置および向きを調整する。すなわち、レーザ光がワークＷＫ２の端部Ｔ２の表面に対して垂直方向から照射されるように反射ミラー３１の位置および向きを調整する。また、３次元形状撮像装置１０から出射され反射ミラー３２によって反射されるレーザ光の光軸が、ワークＷＫ１の端部Ｔ１の表面に垂直になるように反射ミラー３２の位置および向きを調整する。すなわち、レーザ光がワークＷＫ１の端部Ｔ１の表面に対して垂直方向から照射されるように反射ミラー３２の位置および向きを調整する。なお、このワークＷＫ１，ＷＫ２における各端部Ｔ１，Ｔ２が本発明に係る特定部位である。

次に、作業者は、図２に示すように、平板状に形成された平板治具ＪＧ１上に３次元形状測定装置を載置し、入力装置４３を操作して３次元画像処理装置４２に形状データ合成関数Ｆ_Ｓの計算を指示する。形状データ合成関数Ｆ_Ｓは、反射ミラー３１，３２を介して３次元形状撮像装置１０に導かれる反射光に基づいて生成される３次元形状データ（以下、「間接３次元形状データ」という）によって表されるワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状を、ワークＷＫ１，ＷＫ２から直接３次元形状撮像装置１０に導かれる反射光に基づいて生成される３次元形状データ（以下、「直接３次元形状データ」という）によって表されるワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状に合成するための関数である。この場合、直接３次元形状データは３次元形状撮像装置１０に関する座標系であるカメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データである。ここで、カメラ座標系Ｃは、互いに直交する３つの座標軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）からなり、３次元形状撮像装置１０の特定点を原点とする３次元座標系である。

そして、間接３次元形状データも計算上は、カメラ座標系Ｃによる３次元形状データとして計算されるが、この計算には反射ミラー３１，３２によってレーザ光および反射光の進行方向が変更されていることが考慮されていない。すなわち、間接３次元形状データは、３次元形状撮像装置から出射されたレーザ光が反射ミラー３１，３２を介さずそのまま直進してワークＷＫ１，ＷＫ２に達した後、同ワークＷＫ１，ＷＫ２で反射して反射ミラー３１，３２を介さずにそのまま直進して３次元形状撮像装置１０に導かれたものとして計算されたデータである。換言すれば、間接３次元形状データは反射ミラー３１，３２ごとに存在するカメラ座標系Ｃとは別の座標系Ｃ’，Ｃ’’（以下、カメラ座標系Ｃ’，Ｃ’’という）によって表された３次元形状データであるといえる。したがって、直接３次元形状データによって表されるワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状と間接３次元形状データによって表されるワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状とを合成するためには、両方の３次元形状データを同一の座標系による３次元形状データにする必要がある。形状データ合成関数Ｆ_Ｓは、間接３次元形状データの座標値をカメラ座標系Ｃ’，Ｃ’’による座標値から直接３次元形状データの座標系であるカメラ座標系Ｃによる座標値に座標変換するための関数である。

３次元画像処理装置４２は、前記形状データ合成関数Ｆ_Ｓの計算の指示に応答して、図３に示す、形状データ合成関数Ｆ_Ｓ計算プログラムの実行をステップＳ１００にて開始して、ステップＳ１０２にて、平板治具ＪＧ１の測定情報の入力を待つ。この場合、作業者は、ステップＳ１０２による平板治具ＪＧ１の測定情報の入力に先立って、反射ミラー３１，３２の反射面を、光を殆ど反射しない（反射率が極めて低い）シート３３，３４で覆う。３次元形状撮像装置１０は、コントローラ４１からの指示に応答して平板治具ＪＧ１の上面の測定を開始する。具体的には、３次元形状撮像装置１０は、３次元形状測定装置１０に関する座標系であるカメラ座標系ＣにおけるＸ−Ｙ座標原点（反射ミラー３１側であって支持具２０側）からＸ軸方向（反射ミラー３２側）にレーザ光の走査を開始して、Ｘ軸方向にレーザ光を走査するラインを順次Ｙ軸方向（支持具２０対して反射ミラー３１，３２側）にずらしながら平板治具ＪＧ１の上面を測定する。

この場合、図４（Ａ）に示すように、３次元形状撮像装置１０から反射ミラー３１，３２に向けて出射されたレーザ光の大部分は前記シート３３，３４によって吸収されるため、平板治具ＪＧ１には極めて少量のレーザ光が導かれる。そして、平板治具ＪＧ１から反射ミラー３１，３２に向けて反射された反射光も、その大部分がシート３３，３４によって吸収されるため、３次元形状撮像装置１０に導かれる反射光（以下、「間接反射光」という）は殆どない。すなわち、図４（Ｂ）示すように、３次元形状撮像装置１０に導かれる平板治具ＪＧ１からの反射光の大部分は、３次元形状撮像装置１０から直接平板治具ＪＧ１に出射されたレーザ光による反射光（以下、「直接反射光」という）である。

３次元形状撮像装置１０は、受光した反射光に基づく平板治具ＪＧ１の上面の３次元形状を表す情報を３次元画像処理装置４２に出力する。すなわち、平板治具ＪＧ１の上面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）を３次元画像処理装置４２にそれぞれ出力する。この場合、直接反射光に基づくＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報は、傾きθx，θyおよび距離Ｌzが揃っているが、間接反射光に基づくＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報は反射ミラー３１，３２からの反射光が極めて少ないため、距離Ｌzが測定不能として欠落しており、傾きθx，θyのみである。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ１０４にて、反射ミラー３１，３２の位置の特定を行う。具体的には、入力したＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報のうち、距離Ｌｚが欠落しているＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（すなわち、傾きθx，θyデータ）を抽出する。この場合、抽出した傾きθx，θyは反射ミラー３１，３２の位置にそれぞれ対応している。そして、反射ミラー３１と反射ミラー３２との間の直接反射光が検出されている領域では傾きθxデータは存在しないため、同傾きθxは２つの群に分類することができる。３次元画像処理装置４２は、傾きθxデータを２つの群に分類し、値の大きい側を反射ミラー３１、値の小さい側を反射ミラー３２に対応するものとして抽出した傾きθx，θyデータを記憶する。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ１０６にて、平板治具ＪＧ２の測定情報の入力を待つ。平板治具ＪＧ２は、図５に示すように、平板状に形成されており、その上面に所定の深さの溝部Ｍが形成されている。溝部Ｍの互いに対向する２つの側面Ｔ３，Ｔ４は、平板治具ＪＧ２の上面に対してそれぞれ直交している。すなわち、溝部Ｍは、平板治具ＪＧ２の上面に対して直交する方向に所定の深さを有する溝である。作業者は、ステップＳ１０６による平板治具ＪＧ２の測定情報の入力に際して、前記シート３３，３４を反射ミラー３１，３２から外すとともに、平板治具ＪＧ２の上面に形成された溝部Ｍ上に３次元形状測定装置を配置して、より具体的には、３次元形状撮像装置１０から出射され反射ミラー３１，３２を介して導かれるレーザ光が溝部Ｍの側面Ｔ３，Ｔ４に導かれる位置に３次元形状測定装置を配置して、平板治具ＪＧ２の測定を入力装置４３を介して３次元画像処理装置４２に指示する。

この指示に応答して、３次元形状撮像装置１０は、前記と同様にして平板治具ＪＧ２の上面の測定を開始して、平板治具ＪＧ２の上面の３次元形状を表す情報を３次元画像処理装置４２に出力する。すなわち、前記ステップＳ１０２と同様に、平板治具ＪＧ２の上面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）を３次元画像処理装置４２にそれぞれ出力する。この場合、３次元形状撮像装置１０から反射ミラー３１，３２に向けて出射されたレーザ光は、反射ミラー３１，３２を介して平板治具ＪＧ２に導かれるとともに、同平板治具ＪＧ２からの反射光が反射ミラー３１，３２を介して３次元形状撮像装置１０に導かれる。また、３次元形状撮像装置１０から平板治具ＪＧ２に向けて出射されたレーザ光は、直接平板治具ＪＧ２に導かれるとともに、同平板治具ＪＧによって反射されて直接３次元形状撮像装置１０に導かれる。そして、３次元画像処理装置４２は、同ステップＳ１０６にて、３次元形状撮像装置１０から出力されたＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報に基づいて、平板治具ＪＧ２の上面の３次元形状を表す立体形状データ群からなる３次元形状データを生成する。この場合、前記と同様に、直接３次元形状データはカメラ座標系Ｃによってあらわされており、間接３次元形状データはカメラ座標系Ｃ’，Ｃ’’によって表されている。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ１０８にて、直接３次元形状データおよび２つの間接３次元形状データごとに、平板治具ＪＧ２の上面を表す平面Ｐ_Ｄ，Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２をそれぞれ定義する。これらの平面Ｐ_Ｄ，Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２をそれぞれ定義する処理は、それぞれ同様の処理によって行われるため、平面Ｐ_Ｄの定義処理について説明する。この場合、３次元画像処理装置４２は、前記生成された３次元形状データを、前記ステップＳ１０４にて特定した反射ミラー３１に対応する傾きθx，θyデータおよび反射ミラー３２に対応する傾きθx，θyデータを用いて、直接反射光に基づく３次元形状データである直接３次元形状データと、２つの間接反射光に基づく各３次元形状データである間接３次元形状データとにそれぞれ分類した後、平面Ｐ_Ｄ，Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２の各定義処理を実行する。この平面Ｐ_Ｄの定義処理は、次のサブステップ１〜３の処理からなる。

サブステップ１：３次元画像処理装置４２は、直接３次元形状データの中から、Ｚ座標値が最も小さい３次元形状データ、すなわち３次元形状撮像装置１０（カメラ座標系Ｃの原点）に最も近い３次元形状データを抽出する。これにより、平板治具ＪＧ２の上面におけるいずれか１つの３次元形状データが抽出される。

サブステップ２：３次元画像処理装置４２は、直接３次元形状データの中から、前記抽出した３次元形状データのＺ座標値に対して所定の範囲内に属する３次元形状データを少なくとも２つ抽出する。そして、これら３つ以上の３次元形状データを下記式１に示す平面の式にそれぞれ代入し、最小二乗法により未知数ａ，ｂ，ｃを計算して仮平面Ｐ’を定義する。

サブステップ３：３次元画像処理装置４２は、前記直接３次元形状データの中から、前記定義した仮平面Ｐ’に対して所定の範囲内に属する３次元形状データをすべて抽出し、同抽出した３次元形状データの数が所定数以上であれば、抽出した３次元形状データが平板治具ＪＧ２の上面を表す３次元形状データであるとして、同抽出した３次元形状データを前記式１に示す平面の式に再度代入して、最小二乗法によりａ，ｂ，ｃを計算して平面を定義する。そして、この定義した平面（ａ，ｂ，ｃの値）を平板治具ＪＧ２の上面を表す平面Ｐ_Ｄとして記憶する。一方、前記抽出した３次元形状データの数が所定数未満である場合には、最初に抽出した３次元形状データは平板治具ＪＧ２の上面を表す３次元形状データでないとして、最初に抽出した３次元形状データとは別の３次元形状データを前記式１に示す平面の式に再度代入して、最小二乗法により平面を定義する。そして、この定義した平面を新たな仮平面Ｐ’として、平面Ｐ_Ｄが定義されるまでこのサブステップ３の処理を繰り返し実行する。

なお、３次元画像処理装置４２は、前記したように平面Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２についても、２つの間接３次元形状データ用いて、前記と同様にしてそれぞれ定義する。これにより、直接３次元形状データおよび２つの間接３次元形状データごとに平板治具ＪＧ２の上面を表す平面Ｐ_Ｄ，Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２がそれぞれ定義される。次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ１１０にて、前記それぞれ定義した平面Ｐ_Ｄ，Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２ごとに３つのベクトル（Ａ_Ｄ，Ｂ_Ｄ，Ｃ_Ｄ)，（Ａ_Ｉ１，Ｂ_Ｉ１，Ｃ_Ｉ１)，（Ａ_Ｉ２，Ｂ_Ｉ２，Ｃ_Ｉ２)をそれぞれ定義する。これら各３つのベクトルの定義処理は、次のサブステップ１〜４の処理からなる。

サブステップ１：３次元画像処理装置４２は、ベクトルＡ_Ｄ，Ａ_Ｉ１，Ａ_Ｉ２を定義する。具体的には、３次元画像処理装置４２は、前記各平面Ｐ_Ｄ，Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２を表す前記式１における各ａ，ｂ，ｃを（ａ^２＋ｂ^２＋ｃ^２）の平方根で除した値をベクトル成分とするベクトル、すなわち、各平面Ｐ_Ｄ，Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２における各法線ベクトルの単位ベクトルをそれぞれベクトルＡ_Ｄ，Ａ_Ｉ１，Ａ_Ｉ２とする。この場合、ベクトルＡ_Ｄ，Ａ_Ｉ１，Ａ_Ｉ２は、それぞれ平面Ｐ_Ｄ，Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２から３次元形状撮像装置１０に向かうベクトルである。なお、ベクトルＡ_Ｄ，Ａ_Ｉ１，Ａ_Ｉ２は、３次元形状撮像装置１０から平面Ｐ_Ｄ，Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２に向かうベクトルであってもよい。

サブステップ２：３次元画像処理装置４２は、ベクトルＢ_Ｄを定義する。具体的には、３次元画像処理装置４２は、直接３次元形状データの中から互いに隣り合う３次元形状データにおける各Ｚ座標値の変化量が所定の範囲を超えて大きく変化する直前の３次元形状データを抽出する。これにより、平板治具ＪＧ２の上面における同上面と側面Ｔ３，Ｔ４とが直交する各縁部分を表す３次元形状データが溝部Ｍに沿って抽出される。３次元画像処理装置４２は、同抽出した前記各縁部分を表す３次元形状データを下記式２に示す直線の式にそれぞれ代入して、最小二乗法により未知数ａ，ｂ，ｃを計算する。そして、計算したａ，ｂ、ｃをベクトル成分とするベクトル（溝部Ｍの縁に平行なベクトル）の単位ベクトルをベクトルＢ_Ｄとする。

サブステップ３：３次元画像処理装置４２は、ベクトルＢ_Ｉ１，Ｂ_Ｉ２を定義する。具体的には、３次元画像処理装置４２は、間接３次元形状データの中から、平面Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２から所定の範囲内に属し、かつ平板治具ＪＧ２の上面（平面Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２）以外の部分を定義する３次元形状データをそれぞれ抽出する。これにより、平板治具ＪＧ２の上面に直交する側面Ｔ３，Ｔ４の一部を表す３次元形状データがそれぞれ抽出される。３次元画像処理装置４２は、同抽出した前記側面Ｔ３，Ｔ４を表す各３次元形状データを前記式１に示す平面の式にそれぞれ代入して、最小二乗法により未知数ａ，ｂ，ｃを計算することにより側面Ｔ３，Ｔ４を表す平面Ｐ_Ｔ３，Ｐ_Ｔ４をそれぞれ定義する。そして、３次元画像処理装置４２は、平面Ｐ_Ｉ１，Ｐ_Ｉ２と平面Ｐ_Ｔ３，Ｐ_Ｔ４とが直交する各縁部分の直線を表す前記式２を計算して、同計算した各ａ，ｂ、ｃをベクトル成分とするベクトル（前記各縁部分に平行なベクトル）の単位ベクトルをベクトルＢ_Ｉ１，Ｂ_Ｉ２とする。この場合、これらのベクトルＢ_Ｄ，Ｂ_Ｉ１，Ｂ_Ｉ２は、３次元形状撮像装置１０から出射されるレーザ光のＹ座標方向の走査方向における正側に向かうベクトルである。なお、ベクトルＢ_Ｄ，Ｂ_Ｉ１，Ｂ_Ｉ２は、３次元形状撮像装置１０から出射されるレーザ光のＹ座標方向の走査方向における負側に向かうベクトルであってもよい。

サブステップ４：３次元形状測定装置４２は、ベクトルＣ_Ｄ，Ｃ_Ｉ１，Ｃ_Ｉ２を定義する。具体的には、３次元画像処理装置４２は、前記ベクトルＡ_ＤとベクトルＢ_Ｄとの外積により計算されるベクトルをベクトルＣ_Ｄとする。また、前記ベクトルＡ_Ｉ１とベクトルＢ_Ｉ１との外積により計算されるベクトルをベクトルＣ_Ｉ１とするとともに、前記ベクトルＡ_Ｉ２とベクトルＢ_Ｉ２との外積により計算されるベクトルをベクトルＣ_Ｉ２とする。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ１１２にて、形状データ合成関数Ｆ_Ｓにおける回転成分Ｍ_ＦＳを計算する。回転成分Ｍ_ＦＳは、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標からなる第１の座標系と、同第１の座標系をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸回りにそれぞれθｘ，θｙ，θｚだけ回転させた第２の座標系を想定した場合における両座標系間の座標軸の向きの関係、すなわちθｘ，θｙ，θｚを特定するための関数である。この第１の座標系における１つのベクトルを（αａ，βａ，γａ）とし、第２の座標系における前記１つのベクトルを（αｂ，βｂ，γｂ）とすると、両ベクトル間には下記数３に示す関係が成立する。下記数３においてＭは、前記回転成分Ｍ_ＦＳに相当し下記数４によって表される行列値である。なお、この場合、ベクトル（αａ，βａ，γａ）とベクトル（αｂ，βｂ，γｂ）は、その大きさが同じとする。

このステップＳ１１２の形状データ合成関数Ｆ_Ｓにおける座標軸の回転成分Ｍ_ＦＳの計算は、前記式３中の行列値Ｍ（Ｍ＝ｇ_１１，ｇ_１２，ｇ_１３，ｇ_２１，ｇ_２２，ｇ_２３，ｇ_３１，ｇ_３２，ｇ_３３）を計算することを意味する。すなわち、両座標系間において互いに同一方向にない３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃを想定し、これら３つのベクトルのＡ，Ｂ，Ｃの前記第１の座標系における各成分Ａ_１，Ｂ_１，Ｃ_１を（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）とし、この３つのベクトルのＡ，Ｂ，Ｃの前記第２の座標系における各成分Ａ_２，Ｂ_２，Ｃ_２を（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）とすれば、下記式５〜７の関係が成立する。

この前記式５〜７の９つの連立方程式を解くことにより、行列値Ｍを計算することができる。本実施形態においては、前記ベクトルＡ_Ｄ，Ｂ_Ｄ，Ｃ_Ｄの各ベクトル成分を（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）とし、前記ベクトルＡ_Ｉ１，Ｂ_Ｉ１，Ｃ_Ｉ１および前記ベクトルＡ_Ｉ２，Ｂ_Ｉ２，Ｃ_Ｉ２をそれぞれ（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）とすれば、反射ミラー３１，３２に基づく各間接３次元形状データを直接３次元形状データに合成するための形状データ合成関数Ｆ_Ｓにおける回転成分Ｍ_ＦＳをそれぞれ計算することができる。すなわち、平面Ｐ上に定義された３つのベクトルのカメラ座標系ＣにおけるベクトルＡ_Ｄ，Ｂ_Ｄ，Ｃ_Ｄを前記第２の座標系におけるベクトルとし、同平面Ｐ上に定義された３つのベクトルのカメラ座標系Ｃ’，Ｃ’’におけるベクトルＡ_Ｉ１，Ｂ_Ｉ１，Ｃ_Ｉ１およびＡ_Ｉ２，Ｂ_Ｉ２，Ｃ_Ｉ２を前記第１の座標系におけるベクトルとすれば、カメラ座標系Ｃ’，Ｃ’’における座標値をカメラ座標系Ｃにおける座標値に座標変換するための座標変換関数における回転成分を回転成分Ｍ_ＦＳとして計算することができる。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ１１４にて、定点設定治具ＪＧ３の測定情報の入力を待つ。定点設定治具ＪＧ３は、図６に示すように、真球体に形成されており、３次元画像撮像装置１０の測定対象空間内において定点を定めるために用いられる。作業者は、ステップＳ１１４による定点設定治具ＪＧ３の測定情報の入力に際して、３次元画像撮像装置１０の測定対象空間内における平板治具ＪＧ２の溝部Ｍ上に定点設定治具ＪＧ３を配置して、定点設定治具ＪＧ３の測定を入力装置４３を介して３次元画像処理装置４２に指示する。

この指示に応答して、３次元形状撮像装置１０は、定点設定治具ＪＧ３の測定を開始して、定点設定治具ＪＧ３の３次元形状を表す情報を３次元画像処理装置４２に出力する。すなわち、前記ステップＳ１０２，Ｓ１０６と同様に、定点設定治具ＪＧ３の上面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）を３次元画像処理装置４２にそれぞれ出力する。この場合、３次元形状撮像装置１０は、前記と同様に、直接反射光および２つの間接反射光に基づくＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報を３次元画像処理装置４２にそれぞれ出力する。そして、３次元画像処理装置４２は、同ステップＳ１１４にて、３次元形状撮像装置１０から出力されたＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報に基づいて、定点設定治具ＪＧ３の３次元形状を表す立体形状データ群からなる３次元形状データを生成する。この場合、前記と同様に、直接３次元形状データはカメラ座標系Ｃによって表されており、間接３次元形状データはカメラ座標系Ｃ’，Ｃ’’によって表されている。なお、この３次元形状データ中には、定点設定治具ＪＧ３のほかに同定点設定治具ＪＧ３の周辺に存在する他の物体（例えば、平板治具ＪＧ２の上面）の形状を表す３次元形状データも含まれている。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ１１６にて、前記直接３次元形状データおよび２つの間接３次元形状データの中から、定点設定治具ＪＧ３の３次元形状を表す３次元形状データをそれぞれ抽出する。この場合、直接３次元形状データおよび２つの間接３次元形状データは、前記と同様に、前記ステップＳ１０４にて特定した反射ミラー３１，３２に対応する傾きθx，θyデータを用いてそれぞれ分類される。この定点設定治具ＪＧ３の３次元形状を表す３次元形状データの抽出処理は、図示しない定点設定治具抽出サブプログラムを実行することによって行われる。定点設定治具抽出サブプログラムの処理内容を簡単に説明する。

３次元画像処理装置４２は、定点設定治具ＪＧ３が球体であるデータと、同球体の直径を表すデータを用いて、単位ブロックおよび探索ブロックを設定する。単位ブロックは、定点設定治具ＪＧ３の存在位置を特定するために探索ブロックを移動させる最小のブロックであり、探索ブロックは、定点設定治具ＪＧ３をその内部に包含する位置を特定するために利用される単位ブロックの集まりである。３次元画像処理装置４２は、３次元形状撮像装置１０の測定対象空間内を単位ブロックの大きさで立体的に分割するとともに、探索ブロックを測定対象空間内で順次移動させて探索ブロック内に包含される単位ブロックのうち３次元形状データを含む単位ブロックの数をカウントする。このカウントした単位ブロックの数に応じて、探索ブロック内に含まれる３次元形状データがそれぞれ定点設定治具ＪＧ３全体を含む３次元形状データであるか否かを判定し、定点設定治具ＪＧ３全体を含む３次元形状データであると判定されたとき、探索ブロック内の３次元形状データを抽出する。なお、この技術は、既によく知られた技術であり、例えば特開２００４−３３３３７１号公報に記載されている。

また、前記説明した定点設定治具ＪＧ３の抽出方法のほかに、定点設定治具ＪＧ３からの反射光の光量を用いて定点設定治具ＪＧ３の３次元形状を表す３次元形状データを抽出することもできる。この場合、定点設定治具ＪＧ３からの反射光の光量を予め検出するとともに、同反射光の光量を３次元画像処理装置４２に設定しておく。そして、３次元形状撮像装置１０は、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）に加えて定点設定治具ＪＧ３からの反射光の光量も検出して、前記設定した光量と一致する３次元形状データを抽出するようにすればよい。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ１１８にて、定点設定治具ＪＧ３を表す前記抽出した各３次元形状データを用いて、各３次元形状データごとに定点設定治具ＪＧ３の中心座標を定点Ｔ_Ｄ，Ｔ_Ｉ１，Ｔ_Ｉ２の座標としてそれぞれ計算する。具体的には、前記抽出した各３次元形状データを下記式８の左辺にそれぞれ代入し、最小２乗法を用いて未知数ａ、ｂ、ｃを定点Ｔ_Ｄ，Ｔ_Ｉ１，Ｔ_Ｉ２の座標としてそれぞれ計算する。この場合、ａ，ｂ、ｃは、３次元形状データによって表された球体、すなわち定点設定治具ＪＧ３の各中心座標を表す。なお、前記式８においてｄは、定点設定治具ＪＧ３の半径を表すが、このステップＳ１１８の処理においては計算する必要はない。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ１２０にて、形状データ合成関数Ｆ_Ｓにおける原点ずれ成分Ｇ_ＦＳを計算する。原点ずれ成分Ｇ_ＦＳは、前記第１の座標系の原点から前記第２の座標系の原点に向かうベクトルの成分（ａ、ｂ、ｃ）を前記第２の座標系により表したものである。換言すれば、前記回転成分Ｍ_ＦＳによる座標変換により、前記第１の座標系の座標軸の向きを前記第２の座標系の座標軸の向きに合わせた後、前記第１の座標系の原点を前記第２の座標系の原点に一致させるために前記第１の座標系の原点をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向にそれぞれ移動させる量ａ，ｂ，ｃである。この第１の座標系における１つの座標値を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、第２の座標系における前記１つの座標値に対応する座標値を（ｘ’，ｙ’，ｚ’）とすれば、両座標値間には下記数９に示す関係が成立する。下記数９においてＭは、前記回転成分Ｍ_ＦＳに相当する行列値である。

このステップＳ１２０の形状データ合成関数Ｆ_Ｓにおける原点ずれ成分Ｇ_ＦＳの計算は、前記式９中のａ，ｂ，ｃを計算することを意味する。すなわち、前記直接３次元形状データに基づいて計算した定点のカメラ座標系Ｃによる座標値Ｔ_Ｄを前記第１の座標系における座標値（ｘ，ｙ，ｚ）とし、前記間接３次元形状データに基づいて計算した定点のカメラ座標系Ｃ’，Ｃ’’による座標値Ｔ_Ｉ１，Ｔ_Ｉ２を前記第２の座標系における座標値を（ｘ’，ｙ’，ｚ’）とすれば、前記式９にこれらの座標値を代入し連立方程式を解けば反射ミラー３１，３２に基づく各間接３次元形状データを直接３次元形状データに合成するための形状データ合成関数Ｆ_Ｓにおける原点ずれ成分Ｇ_ＦＳである（ａ，ｂ，ｃ）をそれぞれ求めることができる。これにより、反射ミラー３１に基づく間接３次元形状データを直接３次元形状データに合成するための形状データ合成関数Ｆ_Ｓ１と、反射ミラー３２に基づく間接３次元形状データを直接３次元形状データに合成するための形状データ合成関数Ｆ_Ｓ２とが形状データ合成関数Ｆ_Ｓとして計算されたことになる。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ１２２にて、前記計算された形状データ合成関数Ｆ_Ｓ１および形状データ合成関数Ｆ_Ｓ２からなる形状データ合成関数Ｆ_Ｓを記憶する。そして、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ１２４にて、この形状データ合成関数Ｆ_Ｓ計算プログラムの実行を終了する。

この形状データ合成関数Ｆ_Ｓ計算プログラムの実行後、作業者は、測定対象物であるワークＷＫ１，ＷＫ２の測定、より具体的には、ワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２との間の隙間、およびワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差の測定を行う。作業者は、図１に示すように、３次元形状測定装置をワークＷＫ１とワークＷＫ２との間の隙間上に配置して、入力装置４３を操作してワークＷＫ１，ＷＫ２の測定を指示する。この場合、作業者は、ワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２との間の隙間の長手方向に対して３次元形状撮像装置１０から出射されるレーザ光のＸ軸方向の走査方向が略直交するように３次元形状測定装置を配置する。

３次元画像処理装置４２は、前記ワークＷＫ１，ＷＫ２の測定を指示に応答して、図７に示す、ワーク測定プログラムの実行をステップＳ２００にて開始して、ステップＳ２０２にて、ワークＷＫ１，ＷＫ２の測定情報の入力を待つ。３次元形状撮像装置１０は、前記と同様にしてワークＷＫ１，ＷＫ２の測定を開始する。具体的には、３次元形状撮像装置１０は、３次元形状測定装置１０に関する座標系であるカメラ座標系ＣにおけるＸ−Ｙ座標原点（反射ミラー３１側であって支持具２０側）からＸ軸方向（反射ミラー３２側）にレーザ光の走査を開始して、Ｘ軸方向にレーザ光を走査するラインを順次Ｙ軸方向（支持具２０対して反射ミラー３１，３２側）にずらしながらワークＷＫ１，ＷＫ２の各上面を測定する。

３次元形状撮像装置１０から反射ミラー３１に向けて出射されたレーザ光は、図８（Ａ）に示すように、反射ミラー３１を介してワークＷＫ１，ＷＫ２に導かれる。この場合、反射ミラー３１によってワークＷＫ１，ＷＫ２に導かれるレーザ光はワークＷＫ２の端部Ｔ２に対して略垂直に入射するため、同ワークＷＫ２の端部Ｔ２からの反射光は反射ミラー３１を介して３次元形状撮像装置１０に導かれる。すなわち、３次元形状撮像装置１０は、反射ミラー３１からの間接反射光によりワークＷＫ２の端部Ｔ２の形状を測定することができる。また、３次元形状撮像装置１０から反射ミラー３２に向けて出射されたレーザ光は、図８（Ｂ）に示すように、反射ミラー３２を介してワークＷＫ１，ＷＫ２に導かれる。この場合、反射ミラー３２によってワークＷＫ１，ＷＫ２に導かれるレーザ光はワークＷＫ１の端部Ｔ１に対して略垂直に入射するため、同ワークＷＫ１の端部Ｔ１からの反射光は反射ミラー３２を介して３次元形状撮像装置１０に導かれる。すなわち、３次元形状撮像装置１０は、反射ミラー３１からの間接反射光によりワークＷＫ１の端部Ｔ１の形状を測定することができる。なお、３次元形状撮像装置１０から直接ワークＷＫ１，ＷＫ２に向けて出射されたレーザ光は、図８（Ｃ）に示すように、ワークＷＫ１，ＷＫ２の各上面からの反射光を受光する。この場合、ワークＷＫ１，ＷＫ２の各端部Ｔ１，Ｔ２に照射されたレーザ光は、その大部分が入射方向とは異なる方向に反射するため、３次元形状撮像装置１０に受光される同反射光の光量は少ない。

そして、３次元形状撮像装置１０は、ワークＷＫ１，ＷＫ２の上面（各端部Ｔ１，Ｔ２を含む）の３次元形状を表す情報を３次元画像処理装置４２に出力する。すなわち、前記ステップＳ１０２，Ｓ１０６と同様に、ワークＷＫ１，ＷＫ２の上面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）を３次元画像処理装置４２にそれぞれ出力する。この場合、３次元形状撮像装置１０は、前記と同様に、直接反射光および２つの間接反射光に基づくＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報を３次元画像処理装置４２にそれぞれ出力する。そして、３次元画像処理装置４２は、同ステップＳ２０２にて、３次元形状撮像装置１０から出力されたＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報に基づいて、ワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状を表す立体形状データ群からなる３次元形状データを生成する。この場合、前記と同様に、直接３次元形状データはカメラ座標系Ｃによって表されており、間接３次元形状データはカメラ座標系Ｃ’，Ｃ’’によって表されている。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ２０４にて、前記ステップＳ２０２にて生成した２つの間接３次元形状データによって表されたワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状を直接３次元形状データによって表されたワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状に合成する。具体的には、３次元画像処理装置４２は、前記生成された３次元形状データを、前記ステップＳ１０４にて特定した反射ミラー３１に対応する傾きθx，θyデータおよび反射ミラー３２に対応する傾きθx，θyデータを用いて、直接反射光に基づく３次元形状データである直接３次元形状データと、２つの間接反射光に基づく各３次元形状データである間接３次元形状データとにそれぞれ分類した後、前記形状データ合成関数Ｆ_Ｓ計算プログラムの実行により計算した形状データ合成関数Ｆ_Ｓを用いて前記２つの間接３次元形状データを直接３次元形状データの座標系であるカメラ座標系Ｃによる３次元形状データに座標変換する。これにより、３次元形状撮像装置１０から出射され直接ワークＷＫ１，ＷＫ２に照射されるレーザ光では測定されないワークＷＫ１，ＷＫ２の端部Ｔ１，Ｔ２の表面形状を表す３次元形状データが、前記２つの間接３次元形状データによって補われるとともに、ワークＷＫ１，ＷＫ２における同一部分を表す直接３次元形状データと間接３次元形状データとの平均化処理が行われて一組の３次元形状データ群が生成される。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ２０６にて、形状データ補正関数Ｆ_Ｒを計算する。形状データ補正関数Ｆ_Ｒは、カメラ座標系Ｃによる３次元形状データをＺ座標軸がワークＷＫ１，ＷＫ２の上面に垂直な座標系による３次元形状データに変換するための関数である。この形状データ補正関数Ｆ_Ｒの計算は、図９に示す形状データ補正関数Ｆ_Ｒ計算サブプログラムを実行することにより行われる。

３次元画像処理装置４２は、形状データ補正関数Ｆ_Ｒ計算サブプログラムの実行をステップＳ３００にて開始して、ステップＳ３０２にて、ワークＷＫ１，ＷＫ２の上面を表す平面Ｐを定義する。この場合、ワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との間には段差があり同一平面上にないため、正確には、ワークＷＫ１の上面またはワークＷＫ２の上面を表す平面Ｐを定義する。本実施形態においては、ワークＷＫ１の上面を表す平面Ｐを定義する。この平面Ｐの定義処理は、次のサブステップ１〜３の処理からなる。

サブステップ１：３次元画像処理装置４２は、カメラ座標系Ｃにおいて３次元形状データ群が存在するＸ−Ｙ座標平面における所定の範囲内から少なくとも３つの３次元形状データを抽出する。この場合、Ｘ−Ｙ座標平面における所定の範囲は、ワークＷＫ１，ＷＫ２を測定した際、カメラ座標系ＣにおいてワークＷＫ１の上面が位置する範囲を予め３次元画像処理装置４２に指定したものである。

サブステップ２：３次元画像処理装置４２は、前記抽出した少なくとも３つの３次元形状データを前記式１に示す平面の式にそれぞれ代入して、最小二乗法により未知数ａ，ｂ，ｃを計算して仮平面Ｐ’を定義する。

サブステップ３：３次元画像処理装置４２は、前記３次元形状データ群の中から、前記定義した仮平面Ｐ’に対して所定の範囲内に属する３次元形状データをすべて抽出し、同抽出した３次元形状データの数が所定数以上であれば、抽出した３次元形状データがワークＷＫ１の上面を表す３次元形状データであるとして、同抽出した３次元形状データを前記式１に示す平面の式に再度代入して、最小二乗法によりａ，ｂ，ｃを計算して平面を定義する。そして、この定義した平面（ａ，ｂ，ｃの値）をワークＷＫ１の上面を表す平面Ｐとして記憶する。一方、前記抽出した３次元形状データの数が所定数未満である場合には、最初に抽出した３次元形状データはワークＷＫ１の上面を表す３次元形状データでないとして、最初に抽出した３次元形状データとは別の３次元形状データを前記式１に示す平面の式に再度代入して、最小二乗法により平面を定義する。そして、この定義した平面を新たな仮平面Ｐ’として、平面Ｐが定義されるまでこのサブステップ３の処理を繰り返し実行する。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ３０４にて、前記定義した平面Ｐ上に３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃを定義し、これらのベクトルのカメラ座標系Ｃによる成分Ａ_Ｃ，Ｂ_Ｃ，Ｃ_Ｃを計算する。具体的には、３次元画像処理装置４２は、平面Ｐを表す前記式１におけるａ，ｂ，ｃをベクトル成分とするベクトル、すなわち、平面Ｐの法線ベクトルで向きがカメラ座標系Ｃの原点から平面Ｐに向かうベクトルの単位ベクトルをベクトルＣ_Ｃとして計算する。また、３次元形状データ群における各３次元形状データをカメラ座標系Ｃの同一（所定の範囲を含む）のＹ座標値ごとに分類し、同分類した３次元形状データを前記式２に示す直線の式に代入して、最小二乗法により未知数ａ’，ｂ’，ｃ’を計算するとともに、同計算したａ’，ｂ’，ｃ’の各平均値をベクトル成分とするベクトルの単位ベクトルをベクトルＡ_Ｃとして計算する。すなわち、ベクトルＡは、カメラ座標系ＣのＸ軸と平行、換言すれば、３次元形状撮像装置１０から出射されるレーザ光のＸ軸方向の走査方向と平行なベクトルである。そして、３次元画像処理装置４２は、ベクトルＡ_ＣとベクトルＣ_Ｃとの外積によるベクトルをベクトルＢ_Ｃとして計算する。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ３０６にて、形状データ補正関数Ｆ_Ｒを計算する。この形状データ補正関数Ｆ_Ｒは、前記ステップＳ３０４にてそれぞれ定義し計算された３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃのカメラ座標系ＣによるベクトルＡ_Ｃ，Ｂ_Ｃ，Ｃ_Ｃと、同３つのベクトルＡ，Ｂ，ＣのＺ座標軸がワークＷＫ１，ＷＫ２の上面に垂直な座標系でのベクトル成分Ａ_Ｐ，Ｂ_Ｐ，Ｃ_Ｐを用いて計算される。この場合、ベクトル成分Ａ_Ｐ，Ｂ_Ｐ，Ｃ_Ｐは（１，０，０），（０，１，０），（０，０，１）であり、ベクトル成分Ａ_Ｃ，Ｂ_Ｃ，Ｃ_Ｃは下記式１０に示す値となる。

３次元画像処理装置４２は、前記ベクトル成分Ａ_Ｃ，Ｂ_Ｃ，Ｃ_Ｃを前記式５〜７における（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）とし、前記ベクトル成分Ａ_Ｐ，Ｂ_Ｐ，Ｃ_Ｐを同式５〜７における（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）として、カメラ座標系Ｃによる３次元形状データをＺ座標軸がワークＷＫ１，ＷＫ２の上面に垂直な座標系による３次元形状データに変換するための形状データ補正関数Ｆ_Ｒを計算する。次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ３０８にて、前記計算した形状データ補正関数Ｆ_Ｒを記憶する。そして、ステップＳ３１０にて、この形状データ補正関数Ｆ_Ｒ計算サブプログラムの実行を終了して、ワーク測定プログラムにおけるステップＳ２０８に戻る。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ２０８にて、前記形状データ補正関数Ｆ_Ｒ計算サブプログラムの実行により計算された形状データ補正関数Ｆ_Ｒを用いて、カメラ座標系Ｃによる３次元形状データをＺ座標軸がワークＷＫ１，ＷＫ２の上面に垂直な座標系による３次元形状データに座標変換する。なお、カメラ座標系ＣのＺ軸がワークＷＫ１，ＷＫ２の上面に対して直交するように３次元形状撮像装置１０をワークＷＫ１，ＷＫ２上に配置すれば、前記ステップＳ２０６およびこのステップＳ２０８に示す処理は不要である。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ２１０にて、ワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２との間の隙間Ｃを計算する。この隙間Ｃの計算処理は、次のサブステップ１〜３の処理からなる。

サブステップ１：３次元形状データ群における各３次元形状データを同一（所定の範囲を含む）のＹ座標値ごとに分類し、同分類した各３次元形状データの中からＺ座標値が最も大きい３次元形状データを所定の数だけ抽出する。ここで、Ｚ座標値が最も大きい３次元形状データを抽出するのは、ワークＷＫ１，ＷＫ２の端部Ｔ１，Ｔ２を表す３次元形状データにおけるＺ座標値がワークＷＫ１，ＷＫ２の上面を表す３次元形状データにおけるＺ座標値よりも大きい、換言すれば同端部Ｔ１，Ｔ２を表す３次元形状データにおけるＺ座標値がワークＷＫ１，ＷＫ２の上面に対しＺ軸を垂直にした座標系の座標原点から最も遠い位置に存在するからである。これにより、図１０（Ａ）に示すように、同一（所定の範囲を含む）のＹ座標値ごとに、ワークＷＫ１，ＷＫ２の端部Ｔ１，Ｔ２（図中破線で示した円Ａ，Ｂ内の部分）を表す３次元形状データが抽出される。図１０（Ａ）は、Ｙ座標値（所定の範囲を含む）が共通する複数の３次元形状データによって表されたワークＷＫ１，ＷＫ２の断面を表している。

サブステップ２：３次元画像処理装置４２は、前記サブステップ１にて抽出した３次元形状データの中からＸ座標値が最も大きな３次元形状データ（図中、Ｘ_ＭＡＸ）を抽出し、同抽出した３次元形状データのＸ座標値と、前記サブステップ１にて抽出した３次元形状データのＸ座標値との差をそれぞれ計算する。そして、計算した差に応じて前記サブステップ１にて抽出した３次元形状データを２組に分類する。具体的には、前記計算した差の値が所定の範囲内である組と、同差の値が所定の範囲を超える組に分類する。これにより、前記サブステップ１にて抽出した３次元形状データを、ワークＷＫ１の端部Ｔ１を表す３次元形状データ（図中破線で示した円Ａ内に含まれる３次元形状データ）と、ワークＷＫ２の端部Ｔ２を表す３次元形状データ（図中破線で示した円Ｂ内に含まれる３次元形状データ）とに分類することができる。

サブステップ３：前記分類したワークＷＫ１の端部Ｔ１を表す３次元形状データにおいてＸ座標値が最も大きい３次元形状データ（図中、ａ）のＸ座標値と、同分類したワークＷＫ２の端部Ｔ２を表す３次元形状データにおいてＸ座標値が最も小さい３次元形状データ（図中、ｂ）のＸ座標値との差の絶対値（｜ａ−ｂ｜）を、ワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２との間の隙間Ｃとして計算する。この計算は、同一（所定の範囲を含む）のＹ座標値ごとに実行されるため、複数の隙間Ｃが求められる。よってこれら複数の隙間Ｃの平均値を計算して、隙間Ｃ_ａｖｅとする。

次に、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ２１２にて、ワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差Ｌを計算する。この段差Ｌの計算処理は、次のサブステップ１〜５の処理からなる。

サブステップ１：前記ステップＳ２１０におけるサブステップ１と同様にして、３次元形状データ群における３次元形状データを同一（所定の範囲を含む）のＹ座標値ごとに分類し、同分類した３次元形状データの中からＺ座標値が最も大きい３次元形状データを所定の数だけ抽出する。これにより、図１０（Ｂ）に示すように、同一（所定の範囲を含む）のＹ座標値ごとに、ワークＷＫ１，ＷＫ２の端部Ｔ１，Ｔ２（図中破線で示した円Ａ，Ｂ内の部分）を表す３次元形状データが抽出される。図１０（Ｂ）は、Ｙ座標値（所定の範囲を含む）が共通する複数の３次元形状データによって表されたワークＷＫ１，ＷＫ２の断面を表している。

サブステップ２：前記ステップＳ２１０におけるサブステップ２と同様にして、３次元画像処理装置４２は、前記サブステップ１にて抽出した３次元形状データの中からＸ座標値が最も大きな３次元形状データ（図中、Ｘ_ＭＡＸ）を抽出し、同抽出した３次元形状データのＸ座標値と、前記サブステップ１にて抽出した３次元形状データのＸ座標値との差をそれぞれ計算する。そして、計算した差に応じて前記サブステップ１にて抽出した３次元形状データを２組に分類する。これにより、前記サブステップ１にて抽出した３次元形状データを、ワークＷＫ１の端部Ｔ１を表す３次元形状データ（図中破線で示した円Ａ内に含まれる３次元形状データ）と、ワークＷＫ２の端部Ｔ２を表す３次元形状データ（図中破線で示した円Ｂ内に含まれる３次元形状データ）と分類することができる。

サブステップ３：前記分類したワークＷＫ１の端部Ｔ１を表す３次元形状データにおいて、Ｘ座標値が最も大きい３次元形状データ（図中、ａ）のＸ座標値より所定の範囲内で小さいＸ座標値を有する３次元形状データ（図中破線で示した円Ｃ内に含まれる３次元形状データ）を抽出するとともに、同分類したワークＷＫ２の端部Ｔ２を表す３次元形状データにおいてＸ座標値が最も小さい３次元形状データ（図中、ｂ）のＸ座標値より所定の範囲内で大きいＸ座標値を有する３次元形状データ（図中破線で示した円Ｄ内に含まれる３次元形状データ）を抽出する。これにより、ワークＷＫ１，ＷＫ２の各端部Ｔ１，Ｔ２から所定の範囲のワークＷＫ１，ＷＫ２の表面（各端部Ｔ１，Ｔ２および各上面）を表す３次元形状データが抽出される。

サブステップ４：前記サブステップ３にて抽出した２組の３次元形状データ群において、それぞれＺ座標値の度数分布を計算し、同計算した度数分布における最大度数のＺ座標値の３次元形状データ、および同最大度数のＺ座標値に対して所定の範囲内に属するＺ座標値の３次元形状データをそれぞれ抽出する。これにより、図１０（Ｂ）に示すように、ワークＷＫ１，ＷＫ２の各端部Ｔ１，Ｔ２付近の各上面を表す３次元形状データ（図中破線で示した円ｃ、ｄ内に含まれる３次元形状データ）が抽出される。

サブステップ５：前記抽出したワークＷＫ１の上面を表す３次元形状データ（図中破線で示した円ｃ内に含まれる３次元形状データ）のＺ座標値の平均値Ｚ１_ＡＶと、前記抽出したワークＷＫ２の上面を表す３次元形状データ（図中破線で示した円ｄ内に含まれる３次元形状データ）のＺ座標値の平均値Ｚ２_ＡＶとの差の絶対値（｜Ｚ１_ＡＶ−Ｚ２_ＡＶ｜）を、ワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差Ｌとして計算する。この計算は、同一（所定の範囲を含む）のＹ座標値ごとに実施されるため、複数の段差Ｌが求められる。よって、これら複数の段差Ｌの平均値を計算して段差Ｌ_ａｖｅとする。

次に、３次元画像処理４２は、ステップＳ２１４にて、前記ステップＳ２０４にて合成された３次元形状データ群を用いてワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状を表示装置４４に表示させた後、ステップＳ２１６にて、前記計算したワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２との間の隙間Ｃ_ａｖｅ、およびワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差Ｌ_ａｖｅを表示装置４４にそれぞれ表示させる。そして、３次元画像処理装置４２は、ステップＳ２１８にて、ワーク測定プログラムの実行を終了する。このワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状の表示においては、作業者は入力装置４３を操作することによりワークＷＫの表示方向を指示することができ、コントローラ４１および３次元画像処理装置４２は表示装置４４にて表示されるワークＷＫ１，ＷＫ２の表示方向を変更する。これにより、任意の方向から見たワークＷＫ１，ＷＫ２の各端部Ｔ１，Ｔ２の立体形状を表示させることができる。

また、新たなワークＷＫ１，ＷＫ２上に３次元形状測定装置を配置して、前述のようにワークＷＫ１，ＷＫ２の測定を指示して３次元形状撮像装置１０による測定を行えば、前記ワーク測定プログラムの実行によりワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２との間の隙間Ｃ_ａｖｅ、およびワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差Ｌ_ａｖｅを計算させることができる。すなわち、ワークＷＫ１，ＷＫ２の測定に先立って形状データ合成関数Ｆ_Ｓを一度だけ計算しておけば、ワークＷＫ１，ＷＫ２を次々に換えてワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２との間の隙間Ｃ_ａｖｅ、およびワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差Ｌ_ａｖｅを計算させることができる。

上記作動説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、３次元形状撮像装置１０から出射されたレーザ光を反射ミラー３１，３２によって反射させることにより、３次元形状撮像装置１０から出射され直接ワークＷＫ１，ＷＫ２を照射するレーザ光とは異なる方向からワークＷＫ１，ＷＫ２にレーザ光を照射している。そして、同異なる方向から照射されたレーザ光によるワークＷＫ１，ＷＫ２からの間接反射光を再び反射ミラー３１，３２によって反射させることにより３次元形状撮像装置１０に導いている。すなわち、ワークＷＫ１，ＷＫ２に対して互いに異なる方向からレーザ光を照射してワークＷＫ１，ＷＫ２の測定を行っている。これにより、３次元形状撮像装置１０から直接ワークＷＫ１，ＷＫ２を照射するレーザ光の光軸が同ワークＷＫ１，ＷＫ２の照射面に対して平行に近い場合であっても、同レーザ光とは異なる方向から導かれるレーザ光によってワークＷＫ１，ＷＫ２からの間接反射光を３次元形状撮像装置１０に導くことができる。この結果、３次元形状撮像装置１０から出射されワークＷＫ１，ＷＫ２に照射されるレーザ光の光軸に対して平行に近いワークＷＫ１，ＷＫ２の表面、具体的には端部Ｔ１，Ｔ２の３次元形状も精度良く測定することができる。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上記実施形態においては、３次元形状撮像装置１０の測定対象空間内におけるＸ−Ｙ座標平面のすべての範囲をレーザ光で走査することによりワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状を測定して、ワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２との間の隙間Ｃ_ａｖｅ、およびワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差Ｌ_ａｖｅを計算するように構成した。しかし、３次元形状撮像装置１０の測定対象空間内におけるＸ−Ｙ座標平面の１つのＸ軸方向にだけレーザ光を走査、すなわちレーザ光をＸ軸方向に１回だけ走査することにより前記隙間Ｃおよび段差Ｌを計算することもできる。この場合、３次元形状撮像装置１０から反射ミラー３１，３２に向けて出射されるレーザ光と、反射ミラー３１，３２によって反射されワークＷＫ１，ＷＫ２に導かれるレーザ光とが同一平面内に含まれるように反射ミラー３１，３２の向きを調整、具体的には、３次元形状撮像装置１０から出射されるレーザ光が含まれる平面が反射ミラー３１，３２の反射面に直交するように反射ミラー３１，３２の向きを調整しておく必要がある。これは、３次元形状撮像装置１０から出射されたレーザ光が直接ワークＷＫ１，ＷＫ２に照射される位置と、同レーザ光が反射ミラー３１，３２を介してワークＷＫ１，ＷＫ２に照射される位置とを一致させるためである。

この反射ミラー３１，３２の向きを調整する方法の一例を説明しておく。平板治具ＪＧ２の上面に１つの三角形を形成しておく。この三角形の内側と同三角形の外側とは、互いに異なる反射率に形成する。そして、３次元形状撮像装置１０は、前記三角形を横断するように平板治具ＪＧ２の上面を１回だけ走査する。３次元画像処理装置４２は、直接３次元形状データおよび間接３次元形状データにおいて、Ｚ座標値が大きく変化する３次元形状データ（反射光量が大きく変化する位置）を用いて、前記三角形におけるレーザ光が横断した部分の幅をそれぞれ計算する。この直接３次元形状データによって計算される三角形の幅と、間接３次元形状データによって計算される三角形の幅とが等しくなるように反射ミラー３１，３２の向きを調整すれば、３次元形状撮像装置１０から反射ミラー３１，３２に向けて出射されるレーザ光と、反射ミラー３１，３２によって反射されワークＷＫ１，ＷＫ２に導かれるレーザ光とが同一平面内に含まれるようになる。

なお、このようにレーザ光をＸ軸方向に１回だけ走査する場合においては、カメラ座標系ＣにおけるＹ座標を考慮する必要がないため、ワークＷＫ１，ＷＫ２はＸ座標値およびＺ座標値からなる２次元形状データによって表される。したがって、上記実施形態における形状データ合成関数Ｆ_Ｓおよび形状データ補正関数Ｆ_Ｒも２次元座標系に対応した関数となる。また、この場合、形状データ合成関数Ｆ_Ｓを計算する際、平板治具ＪＧ２の上面と溝部Ｍの端部Ｔ３または端部Ｔ４との交線と３次元形状撮像装置１０から出射されるレーザ光が含まれる平面との交点を前記定点Ｔ_Ｄ，Ｔ_Ｉ１，Ｔ_Ｉ２とすることができるため、定点設定治具ＪＧ３を用いなくても、すなわち、平板治具ＪＧ２のみを用いて形状データ合成関数Ｆ_Ｓを計算することができる。これによっても、本実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、形状データ合成関数Ｆ_Ｓを計算するために、平板治具ＪＧ２および定点設定治具ＪＧ３を用いたが、３次元形状撮像装置１０の測定対象空間内において３つのベクトルと１つの定点とが定義できれば、これに限定されるものでない。例えば、平板治具ＪＧ１の上面に互いに判別可能（例えば、直径や反射率を異ならせる）な２つの円を形成する。これらの各円の内側と同各円の外側とは、互いに異なる反射率に形成する。そして、上記実施形態と同様にして、平板治具ＪＧ１の上面（平面Ｐ）の法線ベクトルの単位ベクトルを前記ベクトルＡ_Ｄ，Ａ_Ｉ１，Ａ_Ｉ２とする。また、前記２つの円の各中心座標を通るベクトルの単位ベクトルを前記ベクトルＢ_Ｄ，Ｂ_Ｉ１，Ｂ_Ｉ２とするとともに、前記ベクトルＡ_Ｄ，Ａ_Ｉ１，Ａ_Ｉ２とベクトルＢ_Ｄ，Ｂ_Ｉ１，Ｂ_Ｉ２の各外積によるベクトルをベクトルＣ_Ｄ，Ｃ_Ｉ１，Ｃ_Ｉ２とすれば、前記と同様にして形状データ合成関数Ｆ_Ｓの回転成分Ｍ_ＦＳを計算することができる。また、前記２つの円のどちらか一方の円の中心座標を前記定点Ｔ_Ｄ，Ｔ_Ｉ１，Ｔ_Ｉ２とすれば、前記と同様にして形状データ合成関数Ｆ_Ｓの原点ずれ成分Ｇ_ＦＳを計算することができる。また、別の方法として、３次元形状撮像装置１０の測定対象空間内に少なくとも３つの定点を定義できる物体（例えば球体）を配置して、同物体により定義される少なくとも３つの定点を用いて３つのベクトルと１つの定点とを定義して形状データ合成関数Ｆ_Ｓを計算することもできる。これによっても、本実施形態と同様の効果が期待できる。

なお、形状データ合成関数Ｆ_Ｓは、前記したようにカメラ座標系Ｃにおける反射ミラー３１，３２の位置および向きに応じて計算される関数であるため、カメラ座標系Ｃにおける反射ミラー３１，３２の位置および向きが特定できれば、必ずしも上記したような各種物体を用いる必要はない。例えば、カメラ座標系Ｃにおける反射ミラー３１，３２の位置および向きを検出するためのセンサを反射ミラー３１，３２にそれぞれ備え、同センサによって検出された反射ミラー３１，３２の位置および向きを用いて形状データ合成関数Ｆ_Ｓを計算することもできる。これによっても、本実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、ワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２との間の隙間Ｃ、およびワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差Ｌとともに、ワークＷＫ１，ＷＫ２の端部Ｔ１，Ｔ２の３次元形状を表示するように構成した。しかし、本実施形態においては、前記隙間Ｃおよび段差Ｌを表示すれば、必ずしもワークＷＫ１，ＷＫ２の端部Ｔ１，Ｔ２の３次元形状を表示する必要はない。

また、上記実施形態においては、ワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２との間の隙間Ｃ、およびワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差Ｌを測定するようにしたが、当然どちらか一方の測定であってもよい。また、これらの隙間Ｃおよび段差Ｌに代えて測定対象物体上に設けられた孔部の直径を測定するものであってもよい。この場合、孔部の測定対象物の表面における開口部に３次元形状撮像装置１０から出射されたレーザ光を漏れなく照射するように反射ミラーを適宜配置する。また、ワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差Ｌのみを測定する場合には、ワークＷＫ１とワークＷＫ２との間の段部にレーザ光が照射されるように反射ミラーを１つ設ければ、段差Ｌを測定することができる。すなわち、反射ミラーは、測定する対象にレーザ光を導くように配置する位置および配置する数を適宜設定して用いればよい。これによっても、本実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、反射ミラー３１，３２によってワークＷＫ１，ＷＫ２の導かれるレーザ光の光軸が、ワークＷＫ１，ＷＫ２の端部Ｔ１，Ｔ２に略直交するように反射ミラー３１，３２の位置および向きを調整した。しかし、３次元形状撮像装置１０によって同端部Ｔ１，Ｔ２の３次元形状を測定できれば必ずしも同レーザ光の光軸が端部Ｔ１，Ｔ２に略直交するように反射ミラー３１，３２の位置および向きを調整する必要はない。すなわち、端部Ｔ１，Ｔ２に略直交するようにレーザ光を照射したのは、３次元形状撮像装置１０により多くの間接反射光を入射させるためである。したがって、３次元形状撮像装置１０が間接反射光を受光できる範囲で、反射ミラー３１，３２の位置および向きを調整すればよい。

また、上記実施形態においては、反射ミラー３１，３２を支持する支持具２０にジョイント２３，２５，２６を設けて、３次元形状撮像装置１０に対する反射ミラー３１，３２の位置および向きを調整可能に構成した。しかし、測定対象物における測定位置が特定の位置に決まっている場合など、反射ミラー３１，３２の位置および向きを変化させる必要がない場合には、ジョイント２３，２５，２６による反射ミラー３１，３２の位置および向きを調整する機構は不要である。これによっても、本実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、ワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２との間の隙間Ｃ、およびワークＷＫ１の上面とワークＷＫ２の上面との段差Ｌを測定する３次元形状測定装置（例えば、自動車の板金精度を検査するプロファイルスキャナ）に本発明を適用したが、これに限定されるものではない。例えば、ワークＷＫ１の端部Ｔ１とワークＷＫ２の端部Ｔ２の３次元形状を測定して、同端部Ｔ１，Ｔ２の３次元形状を表示させる３次元形状測定装置すべてに本発明を適用することができる。なお、この場合、３次元形状撮像装置１０から出射されワークＷＫ１，Ｗｋ２に照射されるレーザ光のワークＷＫ１，ＷＫ２上における走査範囲と、３次元形状撮像装置１０から出射され反射ミラー３１，３２を介してワークＷＫ１，ＷＫ２に照射されるレーザ光のワークＷＫ１，ＷＫ２上における走査範囲とが重なるように反射ミラー３１，３２を設ける。これにより、３次元形状撮像装置１０の測定対象空間内に配置されたワークＷＫ１，ＷＫ２の３次元形状を漏れなく表示装置４４に表示させることができる。

本発明の一実施形態に係る３次元形状測定装置の全体を示す概略図である。 反射ミラーの位置を測定する際の３次元形状測定装置の状態を示す斜視図である。 図１の３次元形状測定装置における３次元画像処理装置によって実行される形状データ合成関数Ｆ_Ｓ計算プログラムのフローチャートである。 （Ａ），（Ｂ）は、反射ミラーの位置を測定する際のレーザ光の照射状態を説明するための説明図である。 平板治具ＪＧ２を用いて形状データ合成関数Ｆ_Ｓを計算する状態を示す斜視図である。 定点設定治具ＪＧ３を用いて形状データ合成関数Ｆ_Ｓを計算する状態を示す斜視図である。 図１の３次元形状測定装置における３次元画像処理装置によって実行されるワーク測定プログラムのフローチャートである。 （Ａ）〜（Ｃ）は、ワークＷＫ１，ＷＫ２を測定する際におけるレーザ光の照射状態を説明するための説明図である。 図１の３次元形状測定装置における３次元画像処理装置によって実行される形状データ補正関数Ｆ_Ｒ計算プログラムのフローチャートである。 （Ａ），（Ｂ）は、ワークＷＫ１とワークＷＫ２との間の隙間Ｃおよび段差Ｌの計算方法を説明するための説明図である。 （Ａ），（Ｂ）は、従来例における測定対象物に対するレーザ光の反射状態を示す説明図である。

符号の説明

ＷＫ１，ＷＫ２…ワーク、Ｔ１，Ｔ２…端部、ＪＧ１，ＪＧ２…平板治具、ＪＧ３…定点設定治具、１０…３次元形状撮像装置、２０…支持具、２１…ベース、２２…支柱、２３，２５，２６…ジョイント、２４…第１アーム、２７，２８…第２アーム、３１，３２…反射ミラー、３３，３４…シート

Claims (6)

1. 測定対象物に光を照射するとともに、同測定対象物からの反射光を用いて同測定対象物の表面の３次元形状を表す３次元形状データを出力する３次元形状撮像装置と、
   前記３次元形状撮像装置から出射された光を反射して、前記３次元形状撮像装置から出射され測定対象物に照射される光とは異なる方向から測定対象物に導くとともに、同測定対象物からの反射光を反射して、前記３次元形状撮像装置に導く反射ミラーと、
   測定対象物から前記反射ミラーを介して前記３次元形状撮像装置に導かれる反射光に基づく３次元形状データによって表された測定対象物の表面の３次元形状を、測定対象物から直接前記３次元形状撮像装置に導かれる反射光に基づく３次元形状データによって表された測定対象物の表面の３次元形状に合成する３次元形状データ合成手段とを備えたことを特徴とする３次元形状測定装置。
2. 請求項１に記載した３次元形状測定装置において、
   前記反射ミラーは、前記３次元形状撮像装置から出射された光を測定対象物の特定部位表面に対して略垂直に入射させるためのものである３次元形状測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載した３次元形状測定装置において、
   前記反射ミラーを、前記３次元形状撮像装置から出射された光を測定対象物の互いに対向する２つの面に対してそれぞれ導く第１および第２の反射ミラーで構成した３次元形状測定装置。
4. 請求項３に記載した３次元形状測定装置において、さらに、
   前記３次元形状データ合成手段によって合成された測定対象物の３次元形状を用いて、測定対象物における前記互いに対向する２つの面の面間距離を測定する面間距離測定手段を備えた３次元形状測定装置。
5. 請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１つに記載した３次元形状測定装置において、
   前記３次元形状撮像装置から出射され測定対象物に照射される光の測定対象物上における照射範囲と、前記３次元形状撮像装置から出射され前記反射ミラーを介して測定対象物に照射される光の測定対象物体上における照射範囲とが重なるように前記反射ミラーを設けた３次元形状測定装置。
6. 請求項１ないし請求項５のうちのいずれか１つに記載した３次元形状測定装置において、さらに、
   前記反射ミラーによって測定対象物に導かれる光の光軸の位置または方向を、前記反射ミラーの位置または向きを変化させることにより変更する光軸変更手段を備えた３次元形状測定装置。
   

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